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广义来说，传感器的功能是把各种物理、化学和生物量参数转换成机械、电学或光学形式输出，这些输入的参数包括蛋白、细菌、化合物、气体、光强、运动、位置、声音等。传感器通过换能器，将检测量信息转化成能够被检测器或者外界识别到的信号，图 2.2 为传感器工作原理示意图。
图2.2 传感器工作原理示意图
传感器的分类方法有很多，可以根据是否需要电源分为有源传感器和无源传感器，如RFID就是一种典型的无源传感器，不需要电源也可以工作。更广泛的分类则是根据传感器转化的参数性质将之分为生物传感器、压力传感器、光学传感器等，图 2.3 是部分压力传感器和化学传感器，以给大家一个形象的认识。
图2.3 部分压力传感器和化学传感器
有据可考最早的传感器是温度传感器。在温度监测技术上，17世纪初伽利略发明了水银温度计，水银温度计应用的更多是物理原理，与传感器没有关系。1821年，德国物理学家赛贝发明了能把温度转换成电信号的传感器，这种传感器就是热电偶传感器——最早的传感器。热电偶传感器的核心原理是利用两种不同的导体或者半导体组成电路，一端温度恒定，一端温度则随外部温度变化而变化，当两端温度不同时电路内就会产生电流，测量电流的大小就能推算出外部的环境温度。1871年，另一位德国人西门子发明了铂电阻传感器温度计，利用铂金属在温度不同时电阻的不同来测定温度，与热电偶传感器相比，基于电阻传感器的温度计性能更加稳定，测量精度更高。
此后，基于各种不同原理的传感器不断涌现，对于现代科技的发展也变得越来越重要。早期的传感器是单一功能装置，如检测温度的温度传感器、检测压力的压力传感器、检测位移的位移传感器。随着系统规模的不断扩大，系统复杂性不断提高，所需要探测的信息量也不断增多，受到空间和成本等的影响，在同一个位置放置多个传感器变得越来越有难度，复合传感器应运而生。早期的复合传感器基本上是把不同功能的传感器简单地叠加在一起，应用目的主要在于减小体积，降低成本。随着微纳米技术的发展，功能上集成的复合传感器开始被大规模应用，如能够同时测量速度与加速度的复合传感器，能够同时测量温度与湿度的复合传感器等。
另一方面，随着传感器技术的发展，微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）开始逐渐发展并流行，MEMS的尺寸大概有几毫米乃至更小，主要由传感器、执行器和微能源等部分组成，MEMS不仅能够对数据进行采集，还因为配备了执行器，可以进行一定的数据处理和指令下达。MEMS的出现满足了大家对产品体积小、性能高的要求。20世纪 90年代开始，MEMS传感器在汽车工业中被广泛应用。例如，加速度计在安全气囊约束系统、电子稳定程序（Electronic Stability Program）和防抱死制动系统（Antilock Braking System，ABS）中都有着广泛的应用。低成本、超紧凑、低功耗 MEMS传感器的出现带来了消费电子产品器件的快速增长，在智能手机、平板电脑、游戏机控制器、便携式游戏设备、数码相机、摄像机等众多消费品中，MEMS都发挥着重要的作用。在医疗保健领域如血压计、起搏器、通气机和人工呼吸机等设备上也大量使用了 MEMS传感器。
MEMS传感器应用最多的是陀螺仪。2010年发布的 iPhone4是首款搭载 MEMS陀螺仪的智能手机，如今 MEMS陀螺仪已经成为智能手机标配。陀螺仪又称角速度传感器，能够精确地侦测手机目前所处的角度，结合其他传感器就能够准确判断使用者的实际动作，进一步就能够基于收集的数据来自动控制智能手机，并执行相应的操作。例如使用智能手机导航时，当汽车行驶到隧道或者城市高大建筑附近时，没有 GPS信号，可以通过陀螺仪来测量汽车的偏航或者直线运动位移来继续导航。
MEMS的另一个发展方向是所谓的智能尘埃。智能尘埃是一种能以无线传输方式传递信息的 MEMS，它由传感器、微处理器、双向无线电接收装置和能够组成一个无线网络的软件组成。将一些微尘散放在一个场地中，它们就能相互定位，收集数据并向基站传递信息。如果一个微尘功能失常，其他微尘会对其进行修复。未来的智能微尘甚至可以悬浮在空中几个小时，收集、处理、发射信息，依靠微型电池就能工作多年。
传感器的种类很多，按照市场规模来说，排在全球前十位的传感器分别是温度传感器、图像传感器、压力传感器、运动传感器、指纹传感器、液位传感器、气体传感器、磁场传感器、位置传感器和光传感器。据一份早期的报告显示，我国有接近 2000家企事业单位在从事传感器的研制、生产和应用，但整体来看，我国的传感器技术水平同国外水平相比仍然落后，排在全球前十的传感器企业基本是美国企业，如德州仪器、ADI（美国模拟器件公司）、博世、Kionix等，表 2.1是各种传感器的特点和应用。
表2.1 各种传感器的特点和应用
（续表）
传感器的种类是如此得丰富，在实际设计时，人们对于传感器的选择也不是很明晰，如血糖仪是采用光学传感器还是采用生物传感器好？在实际选择中，对于任何目标检测量通常有不止一种传感器可对其进行测量，但每种传感器的准确度、灵敏度、特异性或者能适用的操作环境有所不同，不同传感器的成本也有所不同。通常来说，越昂贵的传感器性能越优异。
从全球传感器市场来看，霍尼韦尔、博世、ABB等国际巨头全面研发传感器的多种类型产品。在我国，也涌现出了汇顶科技的指纹传感器、昆仑海岸的力学传感器等，但产品的种类还相对单一。
为了推动我国传感器市场的发展，工信部在 2017年 12月发的《促进新一代人工智能发展行动三年行动计划（2018—2020 年）》里明确提到要支持微型化及可靠性设计、精密制造、集成开发工具、嵌入式算法等关键技术的研发；支持基于新需求、新材料、新工艺、新原理设计的智能传感器研发及应用；发展市场前景广阔的新型生物、气体、压力、流量、惯性、距离、图像、声学等智能传感器；推动压电材料、磁性材料、红外辐射材料、金属氧化物等材料技术革新，支持基于微机电系统（MEMS）和互补金属氧化物半导体（CMOS）集成等工艺的新型智能传感器研发；发展面向新应用场景的智能传感器；推动智能传感器实现高精度、高可靠、低功耗、低成本。
到 2020年，压电传感器、磁传感器、红外传感器、气体传感器等传感器的性能显著提高；信噪比达到 70dB、声学过载点达到 135dB 的声学传感器实现量产；绝对精度 100Pa以内、噪音水平 0.6Pa以内的压力传感器实现商用；弱磁场分辨率达到 1pT的磁传感器实现量产。在模拟仿真、设计、MEMS工艺、封装及个性化测试技术方面达到国际先进水平，具备在移动可穿戴式设备、互联网、汽车电子等重点领域的系统方案设计能力。
有一类特别的传感技术值得单独介绍——射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）。这种技术已经被广泛地运用在我们生活中，但很少被公众了解。我们的身份证、公交卡、高速公路上的 ETC通道等都大量地使用了 RFID技术。RFID技术的基本工作原理并不复杂，当 RFID 标签进入磁场后，会接收附近解读器发出的射频信号，凭借感应电磁场获得的能量将 RFID芯片中包含的信息发送出去。RFID识别速度快，标签一进入磁场，解读器就能够及时读取出其中的信息，大多数情况下阅读时间不超过 100毫秒，还能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢等恶劣环境阅读标签，使用寿命也很长，一般都可以超过十年。RFID标签的信息容量也不小，与当下流行的二维码相比，能够存储的信息要多几十倍。此外，RFID解读器还能同时处理多个标签，实现批量识别。
RFID 是一种非常实用的物联网技术。今天许多会议中的自动签到功能就使用到了RFID，当与会人员携带含有 RFID芯片的卡片通过签到门时，不需要接触门里安装的读写器，机器就能自动感应 RFID 芯片，并读取芯片里的信息，识别身份，如果识别正确签到门显示绿色，如果识别失败则显示红色并发出警报声。在物流行业，如果要对成批的商品进行追踪，工作人员需要对每个商品进行扫描，这几乎是不可能完成的任务，而利用 RFID技术，当满载商品的货车经过检查点时，读写器就能自动对所有商品进行批量识别，并迅速同步到云端，操作人员很快就能看到每件商品的流向。一些 RFID 还能通过附近的读写器获取能源，其内部集成电路以接收到的电磁波为驱动，这些电磁波由 RFID读写器发出，当接受到足够强度的信号时就可以向读写器发送数据，读写器就能识别 RFID 并进行相应的数据处理。
RFID和机器人等技术结合起来能够为更为丰富的场景应用提供支撑。知名零售商沃尔玛公司在一些门店里使用点货机器人来清点商品，身高约 0.6米的点货机器人，长柱型的手臂安装有 RFID标签解读器。点货机器人会根据沃尔玛员工的指示开始工作，在经过货架时机器人对货架所有贴有 RFID标签的货物进行扫描，确认商品的内容、数量、价格等信息。在 RFID识别技术的帮助下，点货机器人比员工手动工作要更准确，速度还快三倍多。
下面介绍传感器技术在医疗产业的应用。所有传感器种类中，生物传感技术在医疗产业使用得最为广泛，生物传感器的概念最早是由 Clarke和 Lyons在 1962年提出的，1975年 Yellow Springs仪器公司开发出了基于葡萄糖生物传感器的血糖仪，而今生物传感器产业已成长为全球规模超过百亿美元的市场。此外，传感器也被广泛地应用在可穿戴式设备里，世界上第一款可穿戴式设备是 1977年 Smith-Kettlewell研究所视觉科学院研发出的一款能够让盲人“看见”的设备，这款设备是一件背心，它把头戴式摄像头获得的图像通过背心上的网格转换成触觉意象传递给盲人。关于可穿戴技术在稍后章节会有详细的介绍。
在医疗保健领域，传感器被广泛地使用在生理监测（如心率）、筛查（如血生化）等领域中，应用于医疗保健领域的传感器通常由特定的公司研制，并且需要经过对应的监管机构（如美国食品药品管理局 FDA、中国国家药品监督管理局 NMPA等）的批准、登记才能正式使用。在家庭和社区中，远程医疗、远程监控及移动医疗相关传感器的应用，使远程监测慢性病（包括糖尿病、慢性阻塞性肺疾病、充血性心力衰竭等）以及病人管理成为可能。
在医院和小规模诊所中，传感器的使用更偏重于医学筛查和诊断，如床边血液化学测试、电解质水平测试、血气浓度分析。用于胆固醇监测、验孕、食物过敏测试、DNA测试的非处方诊断性传感器的市场正在逐渐增长。在许多情况下，这些非处方传感器对诊断的准确性没有严格要求，它们只提供一个指导结果，在寻求正式的临床护理服务前可以帮助用户进行决策。在医疗保健领域，传感器的主要应用包括：
（1）筛查和诊断
生化和光学传感器用于床旁检测和诊断，包括血液分析和组织分析；生物传感器可用于确诊细菌感染、确定生物样品中的药物、激素和蛋白质水平；压力传感器用于血压监测等。
（2）运动
穿戴式无线传感器，如加速度计和陀螺仪，可以用来确定平衡和跌倒风险问题，并监测临床干预的影响；运动传感器可用于假肢替代品的评估，还可以用于监测中风康复中有针对性的体育锻炼的效果；传感器也被印刷在织物上进行运动监测。
（3）生理
这类传感器可用于监测关键健康生理指标，如心电图（ECG/EKG）和血压；红外传感器用于非接触式温度计等。
（4）肌肉骨骼
可穿戴式传感器，如肌电图测试，可用于评估肌肉问题和组织损伤；传感器直接嵌入到织物中应用于康复检测。
（5）成像
低成本 CCD和超声传感器可用于医疗成像；智能药丸用于肠道成像。
（6）休闲活动
随着人们越来越意识到健康的重要性，以前只在临床应用的常用传感器具有了更大的市场。这种传感器被消费者用于跟踪健康计划的成果，例如，预防肥胖、健身和提高活动水平。穿戴式设备，如心率和血压检测器，集成的活动监测器及脉搏血氧仪越来越多地应用于这一新兴领域。这些传感器辅以标准的活动监测传感器，如穿戴式计步器，可以配合应用软件为用户提供活动分析，并鼓励目标导向行为。对于软硬件混合，有各种各样的解决方案，包括 Nike+Fuelband 智能运动手环，它具有三个加速度计、用户自定义目标设定和日常活动的可视化。
（7）活动和位置监测
由于现代人具有更好的医疗保健、营养、生活方式，全球人口的平均寿命在不断增加，让老年人尽可能健康地待在家里，这一需求正越来越受到关注。基于传感器的应用可以通过在家中采用位置监测来实现这一点。位置信息可以采用 PIR传感器测量，可以结合机器学习算法和其他来源的数据，如温度和湿度等，来确定一个人的健康状态，并在需要时出发干预措施。在居民有轻度认知障碍的情况下，可以在门的出口处，采用传感器（如磁接触传感器）对房子的周边进行监测，以确定居民是否离开家，并在必要时通知其他家庭成员。环境遥感可以通过可穿戴式传感器（如 MEMS加速度计和陀螺仪）进一步增强功能，用于检测是否跌倒等问题。
GPS 追踪器和其他传感器如智能手机的加速度计，具备新的个人定位—跟踪功能。这类传感器可用于社交娱乐目的，为慢跑者提供实时的速度、位置、高度和方向信息，也可以应用于人身安全监测，例如父母利用 GPS追踪器确定孩子或者认知障碍的老年人的位置。然而，这种方法也是有局限性的，尤其是在监测活动的类型和强度时，如区分在平地上行走和爬台阶。